電廠鍋爐水冷壁爆管原因分析報(bào)告

1、鍋爐水冷壁爆管原因分析12007107 徐海燕12007109 楊春雷12007117 沈 林指導(dǎo)老師：王仕勤鍋爐水管泄漏故障是一個(gè)影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，原因比較復(fù)雜，涉及多門(mén)交叉學(xué)科，往往對(duì)其產(chǎn)生的原因做出正確的判斷。采用“快速”搶修方法、不能根本解決事故，以致可能造成相同的原因的保管再次發(fā)生，帶來(lái)不必要的損失。我國(guó)火電機(jī)組由于爐管事故引起的非計(jì)劃停運(yùn)小時(shí)數(shù)占機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)總時(shí)長(zhǎng)的37.8%，而美國(guó)僅為7%。因此防治水管爆漏的任務(wù)是艱巨的。防止鍋爐水管泄漏工作是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要在統(tǒng)一的要求下，根據(jù)具體的情況，不斷完善制度、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程體系，依據(jù)制度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程、規(guī)范，不斷深入開(kāi)展工

2、作。鍋爐四管泄漏問(wèn)題總是存在很強(qiáng)的周期性和轉(zhuǎn)移性。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 對(duì)送檢的某電廠水冷壁管爆管進(jìn)行宏觀分析、材質(zhì)檢驗(yàn)、硬度檢測(cè)、金相檢驗(yàn)；2. 綜合分析爐管的爆管失效原因；3. 靈活掌握現(xiàn)代分析技術(shù)，鍛煉自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)施的創(chuàng)新能力。二、 實(shí)驗(yàn)原理（一）、水冷壁管水冷壁管是指敷設(shè)在鍋爐爐膛四周，由多根并聯(lián)管組成的水冷包殼。水冷壁是鍋爐的主要受熱部分，它由數(shù)排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛的四周，主要吸收爐膛中高溫燃燒產(chǎn)物的輻射熱量，工質(zhì)在其中做上升運(yùn)動(dòng)，受熱蒸發(fā)。它的內(nèi)部為流動(dòng)的水或蒸汽，外界接受鍋爐爐膛的火焰的熱量。 水冷壁最初設(shè)計(jì)時(shí)，目的并不是受熱，而是為了冷卻爐膛使之不受高溫破壞。

3、後來(lái)，由于其良好的熱交換功能，逐漸取代汽包成為鍋爐主要受熱部分。 水冷壁的作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，在管內(nèi)產(chǎn)生蒸汽或熱水，并降低爐墻溫度，保護(hù)爐墻。在大容量鍋爐中，爐內(nèi)火焰溫度很高，熱輻射的強(qiáng)度很大。鍋爐中有4050甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。除少數(shù)小容量鍋爐外，現(xiàn)代的水管鍋爐均以水冷壁作為鍋爐中最主要的蒸發(fā)受熱面。水冷壁的工作條件比較惡劣，除了要承受高溫高壓作用外， 還受到來(lái)自工質(zhì)側(cè)或煙氣側(cè)的腐蝕、磨損和疲勞損傷，因此在服役過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的材料、組織與性能的變化，容易造成水冷壁管的泄漏。（二）、20G水冷壁管的材質(zhì)一般為20G、依據(jù)GB5310-2008，20G的化學(xué)成

4、分為：化學(xué)成分（wt%）CSiMnPS標(biāo)準(zhǔn)值0.170.240.170.340.350.650.0300.030此外，20G鋼管的室溫時(shí)的力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度Rm：410550MPa；下屈服強(qiáng)度斷或規(guī)定非比RcL或RP0.2 ：不小于245MPa；斷后延伸率A：橫向不小于22%，縱向不小于24%；20G鋼管的最高使用溫度為450。（三）、水冷壁管爆管的可能原因a) 腐蝕結(jié)垢造成爆管（主要由爐管表面沉積物成分判斷）1、氧腐蝕：金屬基體有皿狀蝕坑；2、酸腐蝕：爆口附近沒(méi)有明顯蠕脹和明顯塑性變形，屬于脆性斷裂；管樣內(nèi)表面垢層由多層組成，包括鐵的腐蝕產(chǎn)物，氧化物和鹽類，垢層和金屬基體間有明顯空腔，除去

5、垢層后金屬基體有皿狀蝕坑；垢下金屬基體內(nèi)有大量晶間裂紋，并存在脫碳現(xiàn)象；3、氫腐蝕：暴露呈鋸齒狀，爆口處無(wú)明顯脹粗、減薄，為脆性斷口；爆口組織中有大量沿晶微裂紋，且脫碳層明顯。向火面內(nèi)壁可以看到明顯的腐蝕痕跡；4、堿腐蝕：爐管表面有沉積物，垢層有堿性產(chǎn)物，并有坑狀腐蝕痕跡；5、結(jié)垢：有嚴(yán)重垢下腐蝕，向火面結(jié)垢嚴(yán)重的管段金相組織明顯球化，并產(chǎn)生密集性橫向裂紋，背火面金相組織正常。b) 過(guò)熱造成爆管長(zhǎng)期超溫和短時(shí)過(guò)熱因高溫作用時(shí)間及其程度的差異， 表現(xiàn)在爆管的漲粗變形量、 破裂口形狀及顯微組織特征均有所不同。 長(zhǎng)期超溫是指金屬管子長(zhǎng)時(shí)間在超過(guò)允許運(yùn)行溫度的情況下使用，由于蠕變損傷的出現(xiàn)， 材料缺口

6、敏感性增加和高溫持久強(qiáng)度下降而引起爆管。其過(guò)程緩慢，超溫水平較低，通常不會(huì)超過(guò)第一臨界點(diǎn) Ac1溫度。短時(shí)過(guò)熱則是管子在運(yùn)行中，由于冷卻條件惡化等原因，使部分管壁溫度在短時(shí)期內(nèi)突然上升，甚至達(dá)到鋼管材料臨界點(diǎn)以上溫度。鋼在這樣高的溫度下，短時(shí)抗拉強(qiáng)度急劇下降，在介質(zhì)壓力的作用下，溫度高的向火側(cè)首先產(chǎn)生塑性變形，管徑漲粗，管壁減薄，隨后發(fā)生爆破，也稱加速蠕變損傷。其過(guò)程迅速，超溫水平較高，金屬材料發(fā)生部分或完全相變。1、 長(zhǎng)期過(guò)熱造成材料的高溫持久蠕變性能下降較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)際壁溫超出管子正常設(shè)計(jì)壁溫，造成管子長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱，從而導(dǎo)致材質(zhì)嚴(yán)重劣化：爆口形貌：破口處呈現(xiàn)脆性厚唇式形貌，表面有明顯的氧化皮，爆

7、口附近表面有與口平行的其他縱向裂紋，爆口附近的橫截面由原始的圓形變?yōu)闄E圓形，但爆口附近沒(méi)有明顯的減薄特征；金相組織：爆口裂紋兩側(cè)有大量的蠕變裂紋和蠕變孔洞，蠕變裂紋沿晶界擴(kuò)展，裂紋內(nèi)填充大量氧化物。爆口附近的金相組織，可見(jiàn)組織為鐵素體+碳化物，珠光體中的片狀碳化物已經(jīng)完全球化成顆粒狀碳化物；遠(yuǎn)離爆口處的金相組織與爆口附近的金相組織沒(méi)有明顯差異。根據(jù)這上述組織特征，可判斷爆口處處于長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱狀態(tài)，但溫度沒(méi)有達(dá)到Ac1以上的相變區(qū)，因此組織變化特征是珠光體中的片狀碳化物發(fā)生球化和晶界上形成蠕變孔洞和蠕變裂紋。2、短期過(guò)熱使材料性能不足以承受工作壓力（1）、短時(shí)急劇過(guò)熱至Ac1Ac3高溫區(qū)引起的瞬時(shí)

8、破裂爆口位于向火側(cè)，沿管材縱向撕裂。爆口邊緣顯著減薄，呈撕裂狀，張口大，（明顯短時(shí)超溫爆管特征）有明顯的塑性變形，爆口處管壁明顯減薄，破口處管子的橫截面由原始的圓形變?yōu)闄E圓形，表面沒(méi)有明顯的氧化皮，爆口附近表面沒(méi)有與爆口平行的其他縱向裂紋。水冷壁遠(yuǎn)離爆口處的金相組織，可見(jiàn)組織為鐵素體+珠光體，為20鋼正常組織，珠光體沒(méi)有明顯球化；爆口處的金相組織，可見(jiàn)組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，為亞溫淬火組織根據(jù)以上組織特征，可判斷爆口處的過(guò)熱溫度到達(dá)了Ac1Ac3相變區(qū)。硬度測(cè)試：爆口處基體的顯微硬度約為215235，遠(yuǎn)離爆口處基體的顯微硬度約為160180，爆口處的硬度明顯高于正常基體的硬度，與上面各組

9、織區(qū)域符合（爆口處有淬火組織，故硬度較大）。（2）、短時(shí)急劇過(guò)熱至Ac1Ac3低溫區(qū)引起的瞬時(shí)破裂爆口形貌：破口處塑性變形不明顯，管壁有一定減薄，表面有一定的氧化皮，爆口附近表面有與爆口平行的其他縱向裂紋金相組織：水冷壁遠(yuǎn)離爆口處，基體金相組織為鐵素體+珠光體，為20鋼正常組織，珠光體沒(méi)有明顯球化；靠近爆口處基體的金相組織，也為鐵素體+珠光體，但珠光體球化數(shù)量明顯增加。根據(jù)以上組織特征，可判斷爆口處曾過(guò)熱到相變區(qū)，即達(dá)到了Ac1Ac3區(qū)，但處于Ac1Ac3區(qū)的較低溫度處，由于溫差相對(duì)較小（相對(duì)于形成淬火組織所需要的溫差），爆管時(shí)介質(zhì)冷卻速度不夠，因此沒(méi)有形成淬火組織，但相當(dāng)于經(jīng)歷了一次比較快速

10、的正火。由于正火速度較快，F(xiàn)e-C相圖的共析點(diǎn)左移，導(dǎo)致同樣成分的亞共析鋼，其珠光體數(shù)量會(huì)增加；硬度測(cè)試：爆口處基體的顯微硬度約為175185，遠(yuǎn)離爆口處基體的顯微硬度約為125143，爆口處的硬度要明顯高于正常基體的硬度，與上面符合（爆口處有重新正火的組織）。c) 鋼材質(zhì)量不合格造成爆管1、原材料缺陷各部位橫縱截面上的金相組織均為均勻的鐵素體+珠光體，組織中一般不會(huì)有過(guò)燒等不正常組織，同時(shí)管子沒(méi)有微觀裂紋等缺陷，但都有一定深度的表面缺陷或化學(xué)成分不達(dá)要求導(dǎo)致性能不合格或者基體中有大塊的夾雜；2、原始管壁厚薄不均各部位橫縱截面上的金相組織均為均勻的鐵素體+珠光體，組織中一般不會(huì)有過(guò)燒等不正常組

11、織，爆口前沿及兩側(cè)有彌補(bǔ)的縱向小裂紋（疲勞裂紋）。d) 循環(huán)不良造成爆管爆口邊緣明顯減薄，呈撕裂狀，管材向火側(cè)整體存在脹粗，沒(méi)有明顯腐蝕痕跡，爆口遠(yuǎn)處仍為正常組織。e) 磨損造成爆管機(jī)械磨損引起管子壁厚減薄f) 低負(fù)荷運(yùn)行造成爆管g) 焊接造成爆管爆管發(fā)生在水冷壁的切角屏處h) 爐掉焦造成爆管三、實(shí)驗(yàn)方法1、實(shí)驗(yàn)儀器：線切割機(jī)、熱鑲樣機(jī)、水磨機(jī)、拋光機(jī)、金相顯微鏡、維氏硬度儀、萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)及其他輔助設(shè)備。2、實(shí)驗(yàn)材料：砂紙、硝酸酒精溶液（4%），純酒精溶液3、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（1）、宏觀分析：用肉眼或放大鏡進(jìn)行觀察爆管爆口外觀形貌、金屬表面是否有垢層，是否有服飾痕跡等，觀察縱斷面、橫截面是否有減薄特征

12、等，并記錄觀察結(jié)果；對(duì)爐管的外徑及壁厚進(jìn)行測(cè)試，分析爐管是否有脹粗、減薄現(xiàn)象。（2）、線切割取樣在爆口處取四個(gè)樣（10×5mm），爆口背面兩個(gè)（10×5mm），裂紋處一個(gè)（10×10mm），遠(yuǎn)離爆口處向火面背火面各取四個(gè)樣（10×10mm），遠(yuǎn)離爆口和邊界處取四個(gè)拉伸試樣，其中爆口與拉伸試樣相距30cm；（3）、金相分析：將取好的樣用鑲樣機(jī)鑲好，然后通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行研磨拋光，最后腐蝕觀察顯微組織，確定組織形態(tài)，尤其是爆口截面要注意觀察其組織變化，并進(jìn)行拍照討論；（4）、通過(guò)外觀形貌和金相組織特征進(jìn)行分析，大致確定爆管原因。（5）、在金相顯微組織上，進(jìn)行

13、顯微硬度測(cè)試，由硬度的變化判斷之前所確定組織的正確性，討論爆管的力學(xué)性能等的變化原因和爆管的最終原因。四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）、宏觀分析1、爆口特征爐管有明顯的彎曲變形。爆口位于向火面的一側(cè)，呈魚(yú)唇狀，沿爐管的軸向發(fā)展，長(zhǎng)度大約55mm，最大開(kāi)口寬約15mm。爆口處有明顯的局部鼓脹，有塑性變形的痕跡，爆口處有明顯的減薄，最薄處形如刀口。2、爆口外觀如下圖 3、外觀尺寸爆管有明顯的脹粗和一定的減薄，但脹粗量沒(méi)有超過(guò)3.5%的限定值（碳素結(jié)構(gòu)鋼爐管）。表 爐管尺寸（表內(nèi)括號(hào)欄內(nèi)的數(shù)據(jù)為平均值）原規(guī)格外徑(mm)壁厚(mm)脹粗(%)減薄(%)60×561.70，61.50，61.80（61.

14、67）4.80，4.80，4.90（4.83）2.83.4（二）、化學(xué)成分按GB/T223.15-1988鋼鐵及合金化學(xué)成分分析方法對(duì)爐管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表所示。由測(cè)試結(jié)果可知，爆管的化學(xué)成分符合GB5310-2008中20G鋼的技術(shù)要求。表 化學(xué)成分（wt%）編號(hào)CSiMnPS0.190.200.530.0120.004GB5310-200820G標(biāo)準(zhǔn)值0.170.240.170.370.350.650.0300.030（三）、金相組織1、爆口處：在爆口尖端處，為密集的晶粒區(qū)，在稍微離開(kāi)爆口十幾毫米的位置，出現(xiàn)明顯的類似于羽毛狀的粗大的亮色魏氏組織，珠光體很少，隨著距離增大，魏氏組織

15、減少，鐵素體形成的晶界也越來(lái)越明顯，可觀察到少量的粗大貝氏體，珠光體增多，沒(méi)有球化現(xiàn)象，出現(xiàn)大量的板條狀馬氏體。爆口的金相組織如下圖：50× 50×200×500×上面第一張圖是爆口的尖端，可以看到爆口有明顯減薄現(xiàn)象，晶粒密集，但稍遠(yuǎn)處，就可以看到粗大的晶粒，主要為魏氏組織；在遠(yuǎn)處就可以觀察到明顯的鐵素體邊界，以及邊界包圍的粗大的板條馬氏體，最后一張圖可以看到珠光體特征。2、裂紋：觀察不到微觀裂紋，不能斷定是沿晶斷裂還是穿晶斷裂；裂紋近處有魏氏組織+貝氏體特征，而稍遠(yuǎn)處則是大片的板條狀馬氏體50×50×200×500

16、5;3、爆口背火面：爆口背面為大量的魏氏組織+鐵素體晶界，中間夾雜珠光體和少量的板條狀馬氏體；200×200×500×500×4、遠(yuǎn)離爆口的向火面“橫截面、縱截面均為大量的粗大魏氏組織+鐵素體+珠光體（少量）；橫截面如下圖100×200×縱截面如下圖：100×200×5、遠(yuǎn)離爆口的背火面：橫截面、縱截面均為大量的粗大魏氏組織+鐵素體+珠光體（少量）；橫截面如下圖：100×500×縱截面如下圖：100×100×（四）、硬度測(cè)試試樣部位維氏硬度菱形讀數(shù)平均值維氏硬度爆口212爆口

17、尖端0.2160.2170.2165197.81430.2040.2060.205220.63060.2070.2020.2045221.71080.2060.2070.2065217.43690.2040.2010.2025226.1119靠近尖端0.1830.1840.1835275.36030.190.1850.1875263.73690.1830.1780.1805284.5896中部0.1740.1790.1765297.6350.170.1680.169324.63850.1740.1670.1705318.9515中部下0.1630.1580.1605359.93440.1580

18、.1560.157376.16130.1570.1540.1555383.4534尾部0.1490.1470.148423.30170.1490.150.1495414.84990.1520.1540.153396.087爆口1 0.1620.1650.1635346.8470.1750.1810.178292.63980.1710.1720.1715315.24280.150.1480.149417.63880.1530.1520.1525398.68850.1510.1580.1545388.43330.160.1580.159366.75760.1520.1540.153396.0870

19、.1540.150.152401.31580.1550.1530.154390.95970.1590.1570.158371.41480.1570.1560.1565378.5687爆口背面0.180.1830.1815281.46230.190.1940.192251.51910.1820.1810.1815281.46230.1880.1880.188262.3359向火面0.2360.2330.2345168.61170.2360.2340.235167.8950.2360.2340.235167.895背火面0.2350.2390.237165.07330.2390.2380.2385

20、163.00340.2370.2280.2325171.5250.2290.2260.2275179.1474由上圖可以看出，爆口處，從尖端到尾部的硬度逐漸增大，遠(yuǎn)離爆口處硬度值較小。(五)、屈服強(qiáng)度向火面背火面的屈服強(qiáng)度大體相同，均約為240MP,標(biāo)準(zhǔn)20G的屈服強(qiáng)度為235MP，基本相同。五、 綜合分析爐管有明顯的彎曲變形。爆口位于向火面的一側(cè)，沿管材縱向撕裂，呈魚(yú)唇狀，沿爐管的軸向發(fā)展。爆口處有明顯的局部鼓脹，有塑性變形的痕跡，爆口處明顯減薄，最薄處形如刀口，表面沒(méi)有明顯的氧化皮，爆口附近表面沒(méi)有與爆口平行的其他縱向裂紋，這是明顯的短時(shí)超溫爆管特征。在爆口尖端處，為密集的晶粒區(qū)，在稍微離

21、開(kāi)爆口十幾毫米的位置，出現(xiàn)明顯的類似于羽毛的粗大的亮色魏氏組織，珠光體很少，隨著距離增大，魏氏組織減少，以觀察到明顯的鐵素體邊界，珠光體增多，沒(méi)有球化現(xiàn)象，可觀察到大量的被鐵素體邊界包圍的粗大的板條馬氏體。這些為亞溫淬火組織根據(jù)以上組織特征，可判斷爆口處的過(guò)熱溫度到達(dá)了Ac1Ac3相變區(qū)2 0鋼的正常顯微組織應(yīng)為鐵素體加珠光體。鋼中魏氏組織的形成與加熱溫度及冷卻速度有直接關(guān)系。亞共析鋼因過(guò)熱而形成粗晶奧氏體，在一定冷卻條件下 除了在原奧氏體晶界上析出塊狀鐵素體外還有從晶界向晶界內(nèi)部生長(zhǎng)的鐵素體。根據(jù) Me h l 觀點(diǎn)，魏氏組織的存在有兩個(gè)條件 即不特別快又不特別慢的冷卻速度和原始粗晶粒度。金相檢驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)破口處和遠(yuǎn)離破口處及爆口背火面均有過(guò)熱組織存在均出現(xiàn)了大量的粗大魏氏組織。這就說(shuō)明，整個(gè)管子干燒，管壁嚴(yán)重超溫。在較短時(shí)間段內(nèi)，管壁溫度超過(guò)正火溫度以至更高。同時(shí)，高溫灼熱的管壁又受到了汽水混合物的激冷。因此，嚴(yán)重短時(shí)過(guò)熱和干燒是造成該水冷壁管爆管失效的主要原因。 硬度測(cè)試如下表：試樣部位爆口爆口背面向火面背火面尖端中部尾部維氏硬度200220280320380420260280168170由上表，可以看到爆口處基體的顯微硬度約為200220，隨著距離微微增大，可增大到400左右；遠(yuǎn)離爆口處向、背火面基體的顯微硬度約為160170，（爆口處有淬火組